EP1832714A1 - Verfahren zur Herstellung einer Turbinen- oder Verdichterkomponente sowie Turbinen- oder Verdichterkomponente - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Turbinen- oder Verdichterkomponente sowie Turbinen- oder Verdichterkomponente Download PDF

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EP1832714A1
EP1832714A1 EP06004535A EP06004535A EP1832714A1 EP 1832714 A1 EP1832714 A1 EP 1832714A1 EP 06004535 A EP06004535 A EP 06004535A EP 06004535 A EP06004535 A EP 06004535A EP 1832714 A1 EP1832714 A1 EP 1832714A1
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EP
European Patent Office
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turbine
cooling channel
component
blade
pressure
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06004535A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Fathi Ahmad
Michael Dr. Dankert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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Priority to JP2008557700A priority patent/JP5111402B2/ja
Priority to CN200780007887.5A priority patent/CN101432504B/zh
Priority to EP07704118A priority patent/EP1991761A1/de
Priority to US12/224,729 priority patent/US8109712B2/en
Priority to PCT/EP2007/050687 priority patent/WO2007101743A1/de
Publication of EP1832714A1 publication Critical patent/EP1832714A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/147—Construction, i.e. structural features, e.g. of weight-saving hollow blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
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    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49316—Impeller making
    • Y10T29/49336—Blade making
    • Y10T29/49339—Hollow blade
    • Y10T29/49341—Hollow blade with cooling passage

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a turbine or compressor component having at least one internal cooling channel, in particular a blade. It further relates to such a turbine or compressor component.
  • Turbine or compressor blades as well as turbine or compressor wheels are both thermally and mechanically highly loaded components.
  • such components are usually equipped with internal cooling channels.
  • a mostly gaseous or vaporous cooling medium such as, for example, cooling air, flows through the cooling channels, with predominantly convective cooling taking place by heat transfer from the wall regions delimiting the respective cooling channel to the cooling medium flowing past.
  • an "open" cooling concept in which the cooling medium, after flowing through the respective cooling channel, separates the component to be cooled via branching off from the cooling channel and into outlet openings on the surface Leaves exit channels to then mix with the flow channel of the turbine or the compressor flowing through hot working or flow medium.
  • the outlet openings can be designed and arranged in particular in the form of so-called film cooling openings, so that the cooling medium flowing out of them flows along the surface of the component and thereby forms a cooling film protecting the surface material from direct contact with the hot and aggressive working medium.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a turbine or compressor component of the type mentioned above and a method for producing the same, at least an improved estimate of the life of the component and, if possible, even greater reliability and service life itself, especially under constantly changing thermal and mechanical load, ensure.
  • the object is achieved according to the invention by the cooling channel is acted upon during a pressurization phase with an internal pressure which is chosen so high that it leads to an at least partially plastic deformation of the cooling channel limiting wall areas.
  • LCF Low Cycle Fatigue
  • a post-treatment of the already provided with cooling channels for example, produced by a casting blade main body or the other turbine or compressor component is provided, in which the cooling channels or other provided for cooling air supply cavities in the blade inside a Druckbeaufschlagungsphase with an internal pressure be charged, which is significantly above the expected later operating load.
  • compressive residual stresses are generated in the wall regions adjacent to the respective cavity in a component treated in this way, which remain even after the pressure has been lowered.
  • the residual compressive stresses are at a pressure load beyond the flow or elastic limit of the material by a partial plasticization, i. H. permanent partial plastic deformations caused.
  • the residual compressive stresses generated in this way counteract existing (production-related) or tensile stresses occurring during operation of the turbine or compressor component, which increases the fatigue strength, in particular during cyclic loading, and thus the expected service life of the component.
  • autofrettage especially with internally cooled turbine blades, results in a significant increase in LCF life and durability against vibration break.
  • strength-reducing effect of stress spikes caused by, for example, heels, cross holes or processing errors is reduced.
  • the relocation of the stress profile caused by the autofrettage is also advantageous in that it facilitates the prediction of the life expectancy of the turbine component to be expected under normal operating conditions so that any inspection and service intervals for the turbine can be planned and determined in a particularly need-based manner ,
  • an internal pressure from the range of 1000 to 10000 bar is set during the pressurization phase. This ensures, on the one hand, that the admission pressure for a partially plastic deformation of the wall zones surrounding the respective cooling channel is sufficiently high. On the other hand, bursting or tearing or other damage to the turbine or compressor component due to overpressure is safely avoided.
  • the most favorable autofrettage pressure as well as the duration of treatment depend strongly on the particular application, e.g. on the type of component to be treated and on the course of the cooling channels and possibly on further boundary conditions.
  • At least the wall regions bounding the cooling channel are heated to a treatment temperature above the room temperature immediately before and / or immediately after and / or during the pressurization phase.
  • a treatment temperature is set from the interval of 30 ° C to 1000 ° C. The temperature treatment can influence the physical effects underlying the elastic-plastic deformation in such a way that a particularly advantageous stabilization of the compressive residual stresses generated after the fall of the autofrettage pressure is achieved.
  • a gaseous or liquid medium in particular air
  • the cooling channel introduced the component, wherein the intended internal pressure is generated by a suitable hydraulic or pneumatic device.
  • the admission medium may advantageously be tempered such that it brings about the advantageous heating of the entire component already described above or at least the zones adjoining the cooling channel.
  • the pressurization can also take place in that an ignitable gas mixture is introduced into the cooling channel and deliberately exploded therein.
  • the autofrettage method is advantageously applied to each of the cooling channels.
  • the component to be treated is clamped or fixed during the pressurization phase in a clamping device or the like, so that it does not warp on its outer side.
  • a clamping device or the like which is particularly useful in turbine blades whose aerodynamic properties depend on the exact profile profile of the blade.
  • such a blade may be fixed during the pressurization phase and optionally during a preceding or subsequent temperature treatment phase in the manner of a sandwich between two pressure-resistant shell molds adapted to the contour of the blade.
  • the blade wall usually rectilinearly penetrating outlet channels can be introduced from the outside into the blade, z.
  • the possibly occurring residual stress redistribution is insignificant since it only affects the immediate surroundings of the exit channels and is also negligible in terms of size. Rather, it is important that the internal compressive stresses were previously increased by the autofrettage treatment on the serpentines and deflections of the meandering cooling air channels.
  • the object stated at the outset is achieved by a turbine or compressor component having an internal cooling channel, wherein the wall sections or edge zones delimiting the cooling channel are under compressive stress in such a manner under dynamic loads during operation of the turbine or Tensile stresses occurring within these areas of the compressor are at least partially, preferably completely, compensated by the preset compressive stress curve.
  • the respective component is advantageously produced according to the method described above, ie it has undergone during the production associated with a pressurization of the cooling channel and partial plasticization of its wall areas solidification process.
  • the advantages achieved by the invention are, in particular, that a permanent relocation of the residual stress profile in the component is effected by the targeted introduction of residual compressive stresses in the interior, the cooling channels bounding wall regions of a turbine or compressor component, which occurs among the occurring in later operation Stress conditions has a favorable effect on the fatigue and alternating strength and thus increases the life of the component.
  • the illustrated in Figure 1 as an example of a component of a turbine blade 2 has a plurality of guided inside the blade cooling channels 4 through which relatively cold cooling air flows during operation of the associated turbine.
  • the cooling air is supplied via arranged in the blade root 6 inlet openings 8.
  • the cooling air exits through outlet channels 10 branching off from the respective cooling channel 4 through outlet openings 12 arranged in the blade surface, thereby forming a cooling air film protecting the blade surface from the hot working medium in the turbine.
  • the outlet openings 12 may for example be formed as a film cooling holes.
  • cooling channels 4 are formed in a production stage of the turbine blade 2, in which already the cooling channels 4 in the blade interior, but not yet the branching off exit channels 10, once for a short time with a far above the subsequent operating pressure applied internal pressure. It depends on the respective cooling channel 4 adjacent wall portions of the turbine blade 2 to exceed the yield point and thus to an elastic-plastic deformation of the blade material.
  • the comparatively high autofrettage pressure of, for example, 1000 bar to 5000 bar is applied in the exemplary embodiment by connecting the inlet openings 8 in the blade root 6 of the turbine blade 2 via pressure-resistant connection lines to a pressure reservoir, not shown here, or to another suitable pressure generating device, with a high pressure standing Beaufschlagungsmedium after opening a spill valve flows into the system of the cooling channels 4 of the turbine blade 2, thereby causing the partially plastic deformation of the inner wall portions.
  • a pressurization by inducing one or more explosions of an ignitable gas mixture within the cooling air channels, preferably at closed inlet openings 8, is provided be.
  • the outlet channels 10 are then introduced from the outside through the blade wall 14 and the turbine blade 2 so completed. Possibly. the turbine blade 2 is still coated with a thermal barrier coating (TBC).
  • TBC thermal barrier coating

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Eine Turbinen- oder Verdichterkomponente mit einen innen liegenden Kühlkanal (4), insbesondere eine Turbinenschaufel (2), sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben sollen zumindest eine verbesserte Abschätzung der Lebensdauer der Komponente und darüber hinaus möglichst auch noch eine erhöhte Betriebssicherheit und Lebensdauer selbst, auch unter ständig wechselnder thermischer und mechanischer Belastung, gewährleisten. Dazu wird erfindungsgemäß der Kühlkanal (4) der Komponente während einer Druckbeaufschlagungsphase mit einem Innendruck beaufschlagt, der derart hoch gewählt ist, dass er zu einer zumindest teilplastischen Verformung der den Kühlkanal (4) begrenzenden Wandbereiche führt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mindestens einen innen liegenden Kühlkanal aufweisenden Turbinen- oder Verdichterkomponente, insbesondere einer Schaufel. Sie betrifft weiterhin eine derartige Turbinen- oder Verdichterkomponente.
  • Turbinen- oder Verdichterschaufeln sowie Turbinen- oder Verdichterlaufräder sind sowohl thermisch als auch mechanisch hoch belastete Komponenten. Zur Verringerung der thermischen Belastung, der die eingesetzten Werkstoffe, insbesondere Chromstähle oder Nickel-Basis-Legierungen oder dergleichen, während des Betriebs der Turbine oder des Verdichters ausgesetzt sind, sind derartige Komponenten üblicherweise mit innen liegenden Kühlkanälen ausgestattet. Durch die Kühlkanäle strömt während des Betriebs ein zumeist gas- oder dampfförmiges Kühlmedium, wie beispielsweise Kühlluft, wobei eine überwiegend konvektive Kühlung durch Wärmeübertragung von den den jeweiligen Kühlkanal begrenzenden Wandbereichen auf das vorbeiströmende Kühlmedium erfolgt. Um eine möglichst gleichmäßige Kühlung aller relevanten Bereiche der Komponente, z. B. einer Turbinenschaufel, zu erreichen, ist in der Regel ein mäanderförmiger Verlauf der Kühlkanäle oder Kühlluftpassagen innerhalb der Komponente, insbesondere in den Schaufelblättern von Turbinenschaufeln, vorgesehen. Wegen der beengten Raumverhältnisse innerhalb des Schaufelblatts sind zum Teil vergleichsweise kleine Querschnitte sowie vergleichsweise geringe Krümmungsradien erforderlich.
  • Häufig findet ein "offenes" Kühlkonzept Anwendung, bei dem das Kühlmedium nach dem Durchströmen des jeweiligen Kühlkanals die zu kühlende Komponente über vom Kühlkanal abzweigende und in Austrittsöffnungen an der Oberfläche mündende Austrittskanäle verlässt, um sich anschließend mit dem den Strömungskanal der Turbine oder des Verdichters durchströmenden heißen Arbeits- bzw. Strömungsmedium zu vermischen. Die Austrittsöffnungen können insbesondere in der Art so genannter Filmkühlöffnungen gestaltet und angeordnet sein, so dass das aus ihnen abströmende Kühlmedium an der Oberfläche der Komponente entlang strömt und dabei einen das Oberflächenmaterial vor unmittelbarem Kontakt mit dem heißen und aggressiven Arbeitsmedium schützenden Kühlfilm ausbildet.
  • Trotz derart ausgefeilter und ständig verfeinerter Kühlkonzepte ist die thermische Belastung der Turbinenschaufeln von Gas- oder Dampfturbinen beträchtlich. Hinzu kommt, insbesondere bei den an der Turbinenwelle angeordneten, mit hoher Umdrehungsgeschwindigkeit rotierenden Laufschaufeln, die mechanische Belastung aufgrund der auftretenden Fliehkräfte; aber auch mechanische Beanspruchungen aufgrund von Vibrationen oder Schlägen usw. führen häufig zu starken Belastungen. Insbesondere bei wiederholt auftretenden Lastwechselvorgängen und An- oder Abfahrsituationen, verbunden mit Variationen der Umdrehungsgeschwindigkeit, kommt es trotz neuartiger, in Bezug auf die Wechselfestigkeit optimierter Werkstoffe bei fortgesetztem Betrieb der Turbine oder des Verdichters zu Materialermüdungserscheinungen. Derartige Ermüdungserscheinungen in Form mikroskopischer Risse etc. begrenzen die Einsatzdauer oder Lebensdauer der jeweiligen Komponente.
  • Im Interesse der Betriebssicherheit ist daher eine vergleichsweise häufige Inspektion und gegebenenfalls ein Austausch oder eine Erneuerung der Komponente erforderlich, was mit unerwünschten Stillstandszeiten und hohen Kosten verbunden ist. Da sich die Lebensdauer der hier interessierenden Turbinen- oder Verdichterkomponenten à priori im Allgemeinen nur schwer abschätzen lässt, erweisen sich planmäßig durchgeführte Inspektionen mit eher konservativ veranschlagten, d. h. eher kurz gewählten Service-Intervallen im Nachhinein häufig als unnötig, da die Materialermüdung zum Inspektionszeitpunkt doch noch nicht so weit wie befürchtet fortgeschritten war.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Turbinen- oder Verdichterkomponente der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben anzugeben, die zumindest eine verbesserte Abschätzung der Lebensdauer der Komponente und darüber hinaus möglichst auch noch eine erhöhte Betriebssicherheit und Lebensdauer selbst, insbesondere auch unter ständig wechselnder thermischer und mechanischer Belastung, gewährleisten.
  • Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem der Kühlkanal während einer Druckbeaufschlagungsphase mit einem Innendruck beaufschlagt wird, der derart hoch gewählt ist, dass er zu einer zumindest teilplastischen Verformung der den Kühlkanal begrenzenden Wandbereiche führt.
  • Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die auch als LCF-Lebensdauer (LCF = Low Cycle Fatigue) bezeichnete Lebensdauer einer Turbinen- oder Verdichterkomponente unter wechselnden, zyklisch auftretenden Belastungen in besonderem Maße von der Verteilung der Eigenspannungen innerhalb der Komponente bestimmt ist. Dabei hat sich herausgestellt, dass insbesondere die mäander- oder serpentinenförmig z. B. innerhalb einer Turbinenschaufel verlaufenden Kühlkanäle zu einer die Wechselfestigkeit herabsetzenden Eigenspannungsverteilung führen können. Gerade in der Nähe der Umkehrpunkte der Serpentinen treten infolge der vergleichsweise kleinen Krümmungsradien im Laufe des mit außerordentlich hohen Belastungsspitzen verbundenen Betriebs der Turbine Spannungsverläufe auf, bei denen im zeitlichen und räumlichen Mittel Zugspannungen über Druckspannungen dominieren. Derartige Zugspannungen setzen aber in der Regel die LCF-Festigkeit bzw. die Lebensdauer herab. Es ist daher wünschenswert, bereits bei der Fertigung der Turbinenkomponente Maßnahmen vorzusehen, die den üblicherweise mit der Existenz der Kühlkanäle einhergehenden Zugspannungen entgegenwirken. Derartige Gegenmaßnahmen sollten die Zugeigenspannungen zumindest teilweise kompensieren, oder besser noch überkompensieren und den mittleren Spannungsverlauf zumindest in der Nähe der den Kühlkanal umschließenden Begrenzungswand in Richtung zu Druckeigenspannungen hin verschieben.
  • Zu diesem Zweck ist nach dem nunmehr vorliegenden Konzept eine Nachbehandlung des bereits mit Kühlkanälen versehenen, beispielsweise durch ein Gießverfahren hergestellten Schaufelgrundkörpers oder der sonstigen Turbinen- oder Verdichterkomponente vorgesehen, bei der die Kühlkanäle oder sonstigen zur Kühlluftzufuhr vorgesehenen Hohlräume im Schaufelinneren während einer Druckbeaufschlagungsphase mit einem Innendruck beaufschlagt werden, der wesentlich über der später zu erwartenden Betriebsbelastung liegt. Bei entsprechend gewählter Höhe des Innendrucks werden in einem derartig behandelten Bauteil Druckeigenspannungen in den an den jeweiligen Hohlraum angrenzenden Wandbereichen erzeugt, die auch nach dem Absenken des Drucks bestehen bleiben. Die Druckeigenspannungen werden bei einer über die Fließ- oder Elastizitätsgrenze des Materials hinausgehenden Druckbelastung durch eine Teilplastifizierung, d. h. bleibende teilplastische Verformungen, verursacht. Die so erzeugten Druckeigenspannungen wirken bereits bestehenden (fertigungsbedingten) oder im Betrieb der Turbinen- oder Verdichterkomponente auftretenden Zugspannungen entgegen, wodurch sich die Dauerfestigkeit, insbesondere bei zyklischer Belastung, und damit die zu erwartende Lebensdauer der Komponente erhöht.
  • Das Verfahren an sich ist bereits in einem ganz anderen Zusammenhang, nämlich bei der Behandlung von Gewehrläufen oder von druckführenden Zylinderrohren, als so genannte "Autofrettage" bekannt; eine Anwendung auf Turbinen- oder Verdichterkomponenten mit integrierten oder eingebetteten Kühlkanälen wurde bislang noch nicht erwogen. Wie sich überraschenderweise herausgestellt hat, führt die Autofrettage insbesondere bei innen gekühlten Turbinenlaufschaufeln zu einer beträchtlichen Erhöhung der LCF-Lebensdauer sowie der Widerstandsfähigkeit gegen Schwingbruch. Darüber hinaus wird die festigkeitsmindernde Wirkung von Spannungsspitzen, die beispielsweise durch Absätze, Querbohrungen oder Verarbeitungsfehler entstehen, verringert. Schließlich ist die durch die Autofrettage bewirkte Umverlagerung des Spannungsprofils auch insofern vorteilhaft, als sie dem Fachmann die Vorhersage der unter üblichen Betriebsbedingungen zu erwartenden Lebensdauer der Turbinenkomponente erleichtert, so dass etwaige Inspektions- und Service-Intervalle für die Turbine besonders bedarfsgerecht geplant und festgelegt werden können.
  • Vorteilhafterweise wird während der Druckbeaufschlagungsphase ein Innendruck aus dem Bereich von 1000 bis 10000 bar eingestellt. Damit ist einerseits sichergestellt, dass der Beaufschlagungsdruck für eine teilplastische Verformung der den jeweiligen Kühlkanal umgebenden Wandzonen ausreichend hoch ist. Andererseits wird ein Bersten oder Reißen oder eine sonstige Beschädigung der Turbinen- oder Verdichterkomponente infolge Überdrucks sicher vermieden. Der günstigste Autofrettagendruck sowie die Behandlungsdauer hängen stark vom jeweiligen Anwendungsfall, z.B. von der Art der zu behandelnden Komponente und vom Verlauf der Kühlkanäle sowie ggf. von weiteren Randbedingungen ab.
  • Bevorzugt werden zumindest die den Kühlkanal begrenzenden Wandbereiche unmittelbar vor und/oder unmittelbar nach und/oder während der Druckbeaufschlagungsphase auf eine oberhalb der Raumtemperatur liegende Behandlungstemperatur erwärmt. Vorzugsweise wird eine Behandlungstemperatur aus dem Intervall von 30°C bis 1000°C eingestellt. Die Temperaturbehandlung kann die der elastisch-plastischen Verformung zugrunde liegenden physikalischen Effekte derart beeinflussen, dass eine besonders vorteilhafte Stabilisierung der erzeugten Druckeigenspannungen nach dem Abfallen des Autofrettagedrucks erreicht wird.
  • Vorzugsweise wird zur Druckbeaufschlagung ein gasförmiges oder flüssiges Medium, insbesondere Luft, in den Kühlkanal der Komponente eingeleitet, wobei der vorgesehene Innendruck durch eine geeignete hydraulische oder pneumatische Vorrichtung erzeugt wird. Das Beaufschlagungsmedium kann zweckmäßigerweise derart temperiert sein, dass es die oben bereits beschriebene vorteilhafte Erwärmung der gesamten Komponente oder zumindest der an den Kühlkanal angrenzenden Zonen bewirkt. Alternativ kann die Druckbeaufschlagung auch dadurch erfolgen, dass ein zündfähiges Gasgemisch in den Kühlkanal eingebracht und darin gezielt zur Explosion gebracht wird.
  • Sofern die Komponente mehrere Kühlkanäle aufweist, die nicht miteinander in Verbindung stehen, so wird das Autofrettageverfahren vorteilhafterweise auf jeden der Kühlkanäle angewandt. Alternativ kann es abhängig von dem angestrebten Spannungsverlauf auch zweckmäßig sein, nur einzelne der Kühlkanäle der Druckbehandlung zu unterziehen.
  • Vorteilhafterweise wird die zu behandelnde Komponente während der Druckbeaufschlagungsphase in einer Einspannvorrichtung oder dergleichen eingespannt oder befestigt, damit sie sich an ihrer Außenseite nicht verzieht. Dies ist insbesondere bei Turbinenschaufeln, deren aerodynamische Eigenschaften vom exakten Profilverlauf des Schaufelblatts abhängen, zweckmäßig. Beispielsweise kann eine derartige Schaufel während der Druckbeaufschlagungsphase und gegebenenfalls während einer vorangehenden oder nachfolgenden Temperaturbehandlungsphase in der Art eines Sandwiches zwischen zwei an die Kontur des Schaufelblatts angepassten, druckstabilen Formschalen fixiert sein.
  • Vorzugsweise werden bei der Herstellung der Komponente (z. B. einer Turbinenschaufel) erst im Anschluss an die Druckbchandlungsphase vom Kühlkanal abzweigende und in Austrittsöffnungen an der Außenseite mündende Teilkanäle, die im späteren Betrieb für eine Filmkühlung der Außenseite vorgesehen sind, in die Komponente eingebracht. Dies hat den Vorteil, dass die Kühlkanäle bzw. die davon abzweigenden Teilkanäle an ihren Enden vor der Druckbeaufschlagung nicht erst mit Hilfe von Verschlusspfropfen oder dergleichen mühsam verschlossen und anschließend wieder geöffnet werden müssen, wobei es ohnehin schwierig wäre, die für die oben genannten vorteilhaften Druckverhältnisse erforderliche Dichtigkeit zu erzielen. Stattdessen muss nach der hier vorgeschlagenen Methode allenfalls an der Einlassöffnung für das Beaufschlagungsmedium, die in der Regel auch die Einlassöffnung für das später im Betrieb einzuleitende Kühlmedium darstellt, für eine entsprechende Abdichtung gesorgt werden. Nach der Autofrettagebehandlung können dann die Filmkühlbohrungen bzw. die vergleichsweise kurzen, die Schaufelwand in der Regel geradlinig durchdringenden Austrittskanäle von außen in die Schaufel eingebracht werden, z. B. durch Laserbohren oder durch andere geeignete Verfahren. Die dabei möglicherweise erfolgende Eigenspannungsumverlagerung ist unerheblich, da sie nur die unmittelbare Umgebung der Austrittskanäle betrifft und auch von der Größenordnung her vernachlässigbar ist. Wichtig ist vielmehr, dass zuvor durch die Autofrettagebehandlung an den Serpentinen und Umlenkungen der mäanderförmigen Kühlluftkanäle die Druckeigenspannungen erhöht wurden.
  • Bezüglich der Turbinen- oder Verdichterkomponente wird die eingangs gestellte Aufgabe gelöst durch eine Turbinen- oder Verdichterkomponente mit einem innen liegenden Kühlkanal, wobei die den Kühlkanal begrenzenden Wandabschnitte oder Randzonen im Ruhezustand der Komponente derart unter Druckspannung stehen, dass unter dynamischen Belastungen beim Betrieb der Turbine oder des Verdichters innerhalb dieser Gebiete auftretende Zugspannungen zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, durch den voreingestellten Druckspannungsverlauf kompensiert werden. Die jeweilige Komponente ist dabei vorteilhafterweise nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt, d. h. sie hat während der Fertigung einen mit einer Druckbeaufschlagung des Kühlkanals und Teilplastifizierung seiner Wandbereiche einhergehenden Verfestigungsprozess durchlaufen.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch das gezielte Einbringen von Druckeigenspannungen in die innen liegenden, die Kühlkanäle begrenzenden Wandgebiete einer Turbinen- oder Verdichterkomponente eine dauerhafte Umverlagerung des Eigenspannungsverlaufs in der Komponente bewirkt wird, die sich unter den im späteren Betrieb auftretenden Belastungszuständen günstig auf die Dauer- und Wechselfestigkeit auswirkt und somit die Lebensdauer der Komponente erhöht.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
    • FIG 1
    schematisch eine Turbinenschaufel mit innen liegenden Kühlkanälen, und
    FIG 2
    ein Diagramm, in dem ein typischer Verlauf der mechanischen Spannungen über der Ausdehnung einer den Kühlkanal der Turbinenschaufel gemäß FIG 1 begrenzenden Wand aufgetragen ist.
  • Die in FIG 1 als Beispiel für eine Komponente einer Turbine dargestellte Laufschaufel 2 weist mehrere im Schaufelinneren geführte Kühlkanäle 4 auf, durch die während des Betriebs der zugehörigen Turbine vergleichsweise kalte Kühlluft strömt. Die Zuführung der Kühlluft erfolgt über im Schaufelfuß 6 angeordnete Eintrittsöffnungen 8. Nachdem die Kühlluft die zum Teil mäanderförmigen, zum Teil geradlinig verlaufenden Kühlkanäle 4 durchströmt hat, wobei durch überwiegend konvektive Wärmeübertragung von den umliegenden Wandbereichen auf die vorbeiströmende Kühlluft eine Innenkühlung der Turbinenschau fel 2 erfolgt, tritt die Kühlluft über vom jeweiligen Kühlkanal 4 abzweigende Austrittskanäle 10 durch in der Schaufeloberfläche angeordnete Austrittsöffnungen 12 aus und bildet dabei einen die Schaufeloberfläche vor dem heißen Arbeitsmedium in der Turbine schützenden Kühlluftfilm aus. Die Austrittsöffnungen 12 können beispielsweise auch als Filmkühlöffnungen ausgebildet sein.
  • Bei Turbinenschaufeln 2 von bislang üblicher Bauart treten in den dem jeweiligen Kühlkanal 4 zugewandten Randzonen der umgebenden Schaufelwand 14 während des Turbinenbetriebs vergleichsweise hohe Zugspannungen auf, die die auch LCF-Festigkeit bezeichnete Wechselfestigkeit und damit die Lebensdauer der Turbinenschaufel 2 beeinträchtigen. Zur Vermeidung derartiger Probleme werden gemäß dem nunmehr vorgesehenen Konzept die Kühlkanäle 4 in einem Fertigungsstadium der Turbinenschaufel 2, bei dem zwar schon die Kühlkanäle 4 im Schaufelinneren, aber noch nicht die davon abzweigenden Austrittskanäle 10 ausgebildet sind, einmalig für eine kurze Zeit mit einem weit oberhalb des späteren Betriebsdrucks liegenden Innendruck beaufschlagt. Dabei kommt es an den den jeweiligen Kühlkanal 4 angrenzenden Wandbereichen der Turbinenschaufel 2 zur Überschreitung der Fließgrenze und damit zu einer elastisch-plastischen Verformung des Schaufelmaterials. Aufgrund des plastischen Anteils an der Verformung bilden sich in der Schaufelwand 14 in der Nähe der den Kühlkanal 4 umschließenden Innenflächen lokale Druckeigenspannungen aus, welche dauerhaft auch nach der Druckbeaufschlagung bestehen bleiben und dadurch den Zugspannungen aus der späteren Betriebsbelastung entgegenwirken. Die Dicke der plastisch verformten Zonen hängt weitgehend von dem angewendeten Autofrettagendruck und den Verformungseigenschaften des eingesetzten Schaufelwerkstoffes ab.
  • Zwar stehen Druckeigenspannungen und Zugeigenspannungen global gesehen, d. h. für die gesamte Turbinenschaufel 2 betrachtet, in einem Gleichgewicht, so dass es bei der Anwendung der Autofrettage neben der Ausbildung der gewünschten Druckspannungen in der Nähe der Kühlkanäle 4 auch zur Ausbildung von an sich unerwünschten Zugspannungen in den äußeren Regionen der Schaufelwand 14 kommt; diese können sich aber über größere räumliche Regionen verteilen und erreichen dabei nur vergleichsweise geringe Spitzenwerte. Damit sind derartige Zugspannungen wesentlich besser beherrschbar als die bei Turbinenschaufeln herkömmlicher Bauart auftretenden Zugspannungen mit ihren vergleichsweise hohen Spitzenwerten.
  • Das Prinzip der Eigenspannungsumverlagerung ist in FIG 2 noch einmal schematisch veranschaulicht. Dabei ist in dem Diagramm der räumliche Verlauf der Eigenspannung σ über der Wandausdehnung t aufgetragen, der nach Anwendung der Autofrettage resultiert. Dabei ist angenommen, dass der Kühlkanal im Bereich negativer t-Werte liegt und bei t = 0 von einer Innenwand begrenzt wird. Bei t = t0 liegt die Außenwand der Turbinenschaufel. Die Variable t selbst bezeichnet die räumliche Ausdehnung der Schaufelwand 14, z. B. senkrecht zur Oberfläche des Schaufelblatts 16 gemessen. Die nahe bei t = 0 vorliegenden Druckspannungen, deren Betrag bei t = 0 (also an der Innenwand) am größten ist, sind mit einem negativen Vorzeichen versehen. Weiter außerhalb liegen aufgrund des globalen Spannungsgleichgewichtes Zugspannungen vor (positives Vorzeichen von σ), die sich jedoch über einen größeren räumlichen Bereich verteilen und daher wesentlich geringere Absolutwerte als die Druckspannungen annehmen. Die beiden von der Spannungsverlaufskurve und der t-Achse eingeschlossenen Flächen A1 und A2 sind gleich groß, d. h. A1 = A2.
  • Der vergleichsweise hohe Autofrettagedruck von beispielsweise 1000 bar bis 5000 bar wird im Ausführungsbeispiel aufgebracht, indem die Eintrittsöffnungen 8 im Schaufelfuß 6 der Turbinenschaufel 2 über druckresistente Anschlussleitungen an ein hier nicht dargestelltes Druckreservoir oder an eine sonstige geeignete Druckerzeugungsvorrichtung angeschlossen werden, wobei ein unter hohem Druck stehendes Beaufschlagungsmedium nach dem Öffnen eines Überströmventils in das System der Kühlkanäle 4 der Turbinenschaufel 2 einströmt und dabei die teilplastischen Verformungen der innen liegenden Wandbereiche bewirkt. Alternativ kann auch eine Druckbeaufschlagung durch Herbeiführen einer oder mehrerer Explosionen eines zündfähigen Gasgemisches innerhalb der Kühlluftkanäle, vorzugsweise bei verschlossenen Eintrittsöffnungen 8, vorgesehen sein. Nach erfolgter Druckbeaufschlagung, die gegebenenfalls bei erhöhter Temperatur der Turbinenschaufel 2 vorgenommen wird, werden anschließend die Austrittskanäle 10 von außen durch die Schaufelwand 14 eingebracht und die Turbinenschaufel 2 damit fertiggestellt. Ggf. wird die Turbinenschaufel 2 noch mit einer Wärmedämmschicht (TBC) beschichtet.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung einer mindestens einen innenliegenden Kühlkanal (4) aufweisenden Turbinen- oder Verdichterkomponente,
    insbesondere einer Schaufel (2),
    bei dem der Kühlkanal (4) während einer Druckbeaufschlagungsphase mit einem Innendruck beaufschlagt wird,
    der derart hoch gewählt ist, dass er zu einer zumindest teilplastischen Verformung der den Kühlkanal (4) begrenzenden Wandbereiche führt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    bei dem während der Druckbeaufschlagungsphase ein Innendruck aus dem Bereich von 500 bar bis 10000 bar, insbesondere 1000 bar bis 5000 bar,
    eingestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    bei dem zumindest die den Kühlkanal (4) begrenzenden Wandbereiche unmittelbar vor und/oder unmittelbar nach und/oder während der Druckbeaufschlagungsphase auf eine oberhalb der Raumtemperatur liegende Behandlungstemperatur erwärmt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    bei dem eine Behandlungstemperatur aus dem Intervall von 30°C bis 1000°C eingestellt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    bei dem zur Druckbeaufschlagung ein gasförmiges oder flüssiges Medium in den Kühlkanal (4) eingeleitet wird,
    wobei der gewünschte Innendruck durch eine externe Druckerzeugungsvorrichtung erzeugt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    bei dem ein zündfähiges Gasgemisch in den Kühlkanal(4) eingeleitet und anschließend bei verschlossenen Eintritts- und Austrittsöffnungen(8, 12) zur Explosion gebracht wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    bei dem erst im Anschluss an die Druckbehandlungsphase vom Kühlkanal (4) abzweigende und in Austrittsöffnungen (12) an der Außenseite mündende Austrittskanäle (10) in die Komponente eingebracht werden.
  8. Turbinen- oder Verdichterkomponente,
    insbesondere Turbinenschaufel (2),
    mit einem innenliegenden Kühlkanal (4),
    wobei die den Kühlkanal (4) begrenzenden Wandabschnitte oder Randzonen im Ruhezustand der Komponente derart unter Druckspannung stehen, dass unter dynamischen Belastungen beim Betrieb der Turbine oder des Verdichters innerhalb dieser Gebiete auftretende Zugspannungen zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, durch den voreingestellten Druckspannungsverlauf kompensiert werden.
  9. Thermische Strömungsmaschine,
    insbesondere Gasturbine oder Dampfturbine,
    mit einer Anzahl von Komponenten nach Anspruch 8.
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